CN113917548A - 一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合装置及方法，该装置包括去耦合网络与去耦合底板，其中去耦合底板上安置了多个去耦合网络，同时去耦合网络与多个接收线圈相连。该装置用于磁共振找水仪的接收系统中，接收系统包含接收机和n个接收线圈，其中n≥4；这n个接收线圈单排放置，并且空间共面。该方法通过在相邻接收线圈之间添加去耦合网络，在次相邻的两个接收线圈之间添加去耦合网络，设置合适的去耦合网络参数以消除接收线圈之间的信号耦合。本发明可以有效抑制接收线圈之间的信号耦合影响，解决了磁共振找水仪接收系统中阵列接收线圈之间的信号耦合问题，添加去耦合网络使接收系统获得更准确的地下水信号。

Description

一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合装置及 方法

技术邻域

本发明涉及磁共振找水技术，尤其涉及一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合装置及方法。

背景技术

用磁共振找水仪探测的地下水信号是微弱信号，周围的环境噪声会影响信号，噪声过大会淹没信号，在有噪声的环境里不利于探测地下水。地下水磁共振信号在受空间环境噪声影响时，也受相邻接收线圈中信号的影响。磁共振找水仪的接收机有多个信号接收通道，进行找水工作时，阵列接收线圈与接收机的接收通道相连完成信号采集工作。当空间闭合的线圈中有变化的电流时，线圈的周围会产生磁场；当空间闭合线圈中有变化的磁场时，线圈中会产生感应电动势。地下水核磁共振信号是呈指数衰减的信号，接收线圈在接收信号时，在它的周围空间会产生变化的磁场，其它接收线圈会感应这个变化的磁场。磁共振找水仪的阵列接收线圈在空间中是单排共面放置的，它们在接收地下水信号时，接收线圈之间会有互感耦合现象，这种互感耦合在相邻线圈之间最为明显。

CN110471121A公开了一种核磁共振线圈阵列及其去耦合方法、核磁共振探测装置，该装置包括线圈谐振电路、去耦合电路和天线切换电路，线圈谐振电路由线圈和谐振电容组成，去耦合电路由去耦电容构成。该发明的有益效果是，设计的线圈阵列结构简单、性能优良，能够有效消除线圈谐振电路之间的耦合作用，实现精确定位油气位置，获取高质量的井眼地层数据。

CN1941500A公开了一种用于磁共振成像系统的射频发射线圈的去耦合方法，该射频发射线圈包括多于一个的天线单元，激励信号通过连接电缆输入至所述的天线单元，在每一电缆前串联一电容，该串联电容的大小正好将连接电缆导致的信号的相位移补偿为零。该发明的有益效果是，将MRI磁体内部的去耦合移到串联电容前进行，实现在磁体外部去耦合，用去耦电容可同时对射频发射线圈的感性耦合和容性耦合进行去耦合，保证了射频发射线圈工作的高品质系数和发射效率。

上述发明的去耦合方法针对特定的需要和应用场合均具有良好的测量结果，但都存在一些不足。对于上述的核磁共振线圈阵列及其去耦合方法、核磁共振探测装置，该发明给出的线圈阵列，虽然结构简单、性能优良，可以有效消除线圈谐振电路之间的耦合作用，但是对线圈谐振电路的要求比较高；进行去耦合时，各线圈谐振电路的参数一致，设计线圈谐振电路时，仅通过调节调谐电容使谐振电路的线圈参数保持一致，对调谐电容的要求非常高，当谐振电路的线圈结构和参数变化时，调谐电容需要重新选取。对于上述的磁共振成像系统的射频发射线圈的去耦合方法，将MRI磁体内部的去耦合移到串联电容前进行，实现在磁体外部去耦合，该方法使用去耦电容进行发射线圈之间的去耦合，当发射线圈之间是感性耦合时，也使用去耦电容进行去耦，理论上使用电容去耦代替电感去耦是可行的，但是当发射线圈之间同时存在容性耦合和感性耦合时，只使用去耦电容进行去耦合，去耦效果欠佳。

发明内容

本发明是解决阵列接收线圈之间的耦合问题，用磁共振找水仪找水时，阵列接收线圈之间存在耦合问题，它表现为多个信号接收通道接收到的信号之间有干扰。本发明的目的是提供一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合装置及方法，该方法能解决磁共振找水仪阵列接收线圈之间的信号耦合问题，对接收线圈进行去耦合后，接收机采集接收线圈中的地下水磁共振信号更准确，提高了接收系统的信噪比。用准确的数据进行反演解释可以获得准确的地下水文地质信息，提高了磁共振找水仪的可靠性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合装置，该装置包括去耦合网络与去耦合底板，其中去耦合底板上安置了多个去耦合网络，所述去耦合网络包括第一去耦合电感、第二去耦合电感以及去耦合电容，所述第一去耦合电感以及第二去耦合电感的两端分别作为去耦合网络的接线端口与需要去耦合的两个接收线圈相连接。

进一步地，所述需要去耦合的两个接收线圈包括相邻两个接收线圈和次相邻两个接收线圈。

进一步地，接收线圈有两个接线端口，将去耦合网络的接线端口与接收线圈的接线端口相连。

进一步地，所述接收线圈包括n个，且n个接收线圈空间共面单排相邻放置，所述n个接收线圈在一个发射线圈形成的边界内，其中n≥4。

一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合方法，在阵列接收线圈需要去耦合的两个接收线圈之间安装去耦合网络，所述去耦合网络包括第一去耦合电感L_d1、第二去耦合电感L_d2以及去耦合电容C_d。

进一步地，所述去耦合网络的参数的选择过程包括：

根据理论计算接收线圈的电感量L，两个线圈之间的互感系数M以及耦合系数k；

在仿真软件中构建阵列接收线圈仿真模型；

根据真实的接收线圈参数去设置仿真模型中线圈的参数；

给阵列接收线圈仿真模型施加一个模拟的地下水信号；

在仿真软件中设置求解的条件，求解出互感系数和耦合系数；

将仿真结果与理论计算结果进行比较，当仿真结果与理论计算结果的差值在误差范围内，将仿真结果作为需要去耦合接收线圈的电感L、两个接收线圈的互感M，代入去耦合网络矩阵关系式中，求解出去耦合电感L_d和去耦合电容C_d。

进一步地，理论计算包括：阵列接收线圈等效为电感线圈，电感线圈的电感L计算公式为：

空间两电感线圈之间的互感系数计算公式为：

空间两电感线圈之间的耦合系数计算公式为：

其中，L是线圈的电感，a和b是线圈的长和宽，r是线圈的半径，μ₀是真空导磁率，

M是两线圈之间的互感系数，Φ₂₁是第一接收线圈激发的磁场通过第二接收线圈的磁通匝链数，Φ₁₂是第二接收线圈激发的磁场通过第一接收线圈的磁通匝链数，I₁是第一接收线圈中的电流，I₂是第二接收线圈中的电流，L1是第一接收线圈的等效电感，L2是第二接收线圈的等效电感；

进一步地，去耦合网络的导纳矩阵的关系式包括：

由两个接收线圈构成系统的导纳矩阵Y为：

其中Y₁₂＝Y₂₁，当线圈之间存在耦合时，Y₁₂不等于0；

两个接收线圈之间不存在耦合效应时，Y₁₂等于0，系统的导纳矩阵为：

两个接收线圈添加去耦合网络，可以得出系统导纳矩阵：

Y+Y_d＝Y^u

其中，去耦网络的导纳矩阵Y_d为：

Π型去耦网络具有对称性，即Y_d12＝Y_d21，Y_d11＝Y_d22。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的用于磁共振找水仪阵列接收线圈的去耦合装置，结构简单，空间布局灵活，可应用于简单的线圈之间和复杂的阵列接收线圈之间的信号去耦合。

2、本发明提出的去耦合网络是独立的无源网络，将去耦合网络接入需要去耦合接收线圈之间，在找水仪正常工作时，不用改变接收线圈的电气参数，只需根据线圈之间的耦合程度去调整去耦合网络中去耦合电感与去耦合电容的参数即可。

3、本发明提出的去耦合方法是用于低频信号，磁共振找水仪探测的地下水磁共振信号的频率约为2330Hz，具体值与探测地点的地磁场强度有关；本发明为其它低频信号探测领域的线圈之间信号去耦合提供了一种解决方案。

4、本发明提出的用于磁共振找水仪阵列接收线圈的去耦合装置及方法解决了磁共振找水仪接收系统中阵列接收线圈之间耦合的问题，提高了磁共振找水仪的可靠性、稳定性和测量结果的准确性。

附图说明

本说明书所描述的主题实施方案在随附图式和以下描述中予以阐述，为了更清楚地说明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是实施例中阵列接收线圈的铺设示意图；

图2是实施例中接收线圈的耦合电路图与去耦合电路图；

图3是实施例中去耦合装置结构图；

图4是实施例中阵列接收线圈去耦合示意图；

图5是实施例中阵列接收线圈之间的相关参数计算流程图；

图3中：1、底板支座，2、去耦合底板，3、接线插座，4、接线端子，5、去耦合网络，6、接收线圈，7、多通道接收机，8、指示灯，9、通信接口，10、电源开关，11、信号接收通道，12、导线。

具体实施方式

下文结合附加图式而阐述的详细描述希望作为对本发明的示范性实施例的描述，详细描述包含特定细节以便提供对本发明的示范性实施例的透彻理解。在一些例子中，一些装置是以框图形式而展示。

一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合装置，该装置包括去耦合网络与去耦合底板，其中去耦合底板上安置了多个去耦网络，所述去耦网络包括第一去耦合电感、第二去耦合电感以及去耦合电容，所述的去耦合网络与接收线圈相连。接收线圈是由漆包线绕制的，漆包线的线径很小。

需要去耦合的两个接收线圈包括相邻两个接收线圈或者次相邻两个接收线圈。

接收线圈有n个，且n个接收线圈空间共面单排相邻放置，这n个接收线圈在一个发射线圈形成的边界内，其中n≥4。

图1为磁共振找水仪进行探水工作时，发射线圈和阵列接收线圈的一种铺设示意图。如图所示，上位机通过RS485通讯总线与发射机和多通道接收机相连，发射机连接一个大的发射线圈向地下发射大功率的脉冲信号，激发地下水中的氢核产生磁共振信号。大发射线圈中有n个接收线圈，接收线圈通过导线与多通道接收机相连，n个接收线圈空间共面单排相邻放置，这n个接收线圈用于接收地下水中的氢核从高能态恢复到低能态过程中释放的磁共振信号。磁共振找水仪的发射线圈和接收线圈在图1所示的空间位置下工作，由于发射机和接收机是分时工作的，不用考虑发射线圈和接收线圈之间的耦合问题。

图2(a)为接收线圈的耦合电路图，图2(b)为接收线圈的去耦合电路图。为简明阐述耦合现象，图2中以两个接收线圈为例进行说明，n个接收线圈之间的耦合与去耦合是两个接收线圈之间的推广。图2(a)中有第一接收线圈和第二接收线圈，为了直观，将这两个接收线圈等效为电感L、电阻R和电容C串联的电路模型，当这两个线圈中有交变电流时，这两个线圈会在空间中产生变化磁场，两个接收线圈由于互感作用会相互耦合对方的电信号；图2(b)中接收线圈的等效电路模型和图2(a)中的一样，第一接收线圈和第二接收线圈之间存在信号耦合问题，在这两个接收线圈之间加去耦合网络，去耦合网络由2个去耦合电感L_d1、L_d2和1个去耦合电容C_d构成的无源网络，阵列接收线圈需要去耦合时，把去耦合网络加在需要去耦合的两个接收线圈之间，去耦合网络中去耦合电感的参数一致，可以保证去耦合网络的对称性，接收线圈之间的耦合是相互的，进行接收线圈去耦要同时消除两个线圈之间的影响。

图3为去耦合装置结构图，图中去耦合底板2装有4四个底板支座1，去耦合底板2上面同时安装多个去耦合网络5，每个去耦合网络5电路结构都一样，由两个去耦合电感和一个去耦合电容组成，去耦合网络5的两端与接线插座3相连，接线插座3与接线端子4相连，添加接线端子4便于与接收线圈6连接，接收线圈6通过导线12与多通道接收机7的信号接收通道11相连，进行探水工作时，打开电源开关10，多通道接收机7通过通信接口9完成与上位机的通信。

图4是实施例中阵列接收线圈去耦示意图，图4中两个相邻接收线圈之间都要加去耦合网络，次相邻的两个接收线圈之间也需加去耦合网络；隔两个接收线圈的两个接收线圈之间的耦合程度非常小，不会对结果造成影响；以此类推，相距较远的接收线圈之间几乎没有耦合，它们之间不需要加去耦合网络。图4中N_1,2是第一接收线圈与第二接收线圈之间的去耦合网络，N_1,3是第一接收线圈与第三接收线圈之间的去耦合网络，第一接收线圈1与第四接收线圈之间不用加去耦合网络，N_2,3是第二接收线圈与第三接收线圈之间的去耦合网络，N_2,4是第二接收线圈与第四接收线圈之间的去耦合网络，N_3,4是第三接收线圈与第四接收线圈之间的去耦合网络，N_n-2,n是接收线圈n-2与接收线圈n之间的去耦合网络，N_n-1,n是接收线圈n-1与接收线圈n之间的去耦合网络。图3中去耦底板上的去耦合网络按照前述的方式添加在阵列接收线圈之间即可。

图5是实施例中阵列接收线圈之间的相关参数计算流程图，进行去耦实验时，需要知道阵列接收线圈之间的耦合程度，两个接收线圈之间的耦合对接收线圈中信号的影响有两种情况：

一、接收线圈中的信号强度受耦合影响变强，这种情况发生在两个接收线圈中的电流信号的方向相反时，线圈中耦合的磁通量与线圈中的磁通量方向一致，会增加线圈中的能量；

二、接收线圈中的信号强度受耦合影响变弱，这种情况发生在两个接收线圈中电流方向一致时，线圈中耦合的磁通量与线圈中的磁通量方向相反，会抵消线圈中的部分能量。

两种耦合情况都会给找水工作带来影响，接收线圈之间的耦合会使采集的数据产生误差。进行接收线圈去耦合工作时，先搭建接收线圈的仿真模型，这部分工作在仿真软件中完成，根据真实的接收线圈参数设置仿真模型中接收线圈的参数，在仿真软件中给接收线圈施加一个模拟的地下水信号，设计好仿真条件，软件会计算出各个接收线圈的电感量L、相邻线圈和隔一个线圈的两个线圈之间的耦合系数k、互感系数M及磁场强度H等参数的具体值，将仿真结果与理论计算结果进行比较，当仿真结果与理论计算结果的差值在误差范围内，将仿真结果作为需要去耦合接收线圈的电感L、两个接收线圈的互感M，代入去耦合网络的导纳矩阵中，求解出去耦合电感L_d和去耦合电容C_d。

根据计算结果选择去耦电感和去耦电容用于去耦合网络中。

阵列接收线圈可以等效为电感线圈，电感线圈的电感L计算公式为：

空间两电感线圈之间的互感系数计算公式为：

空间两电感线圈之间的耦合系数计算公式为：

其中，L是线圈的电感，a和b是线圈的长和宽，r是线圈的半径，μ₀是真空导磁率，

M是两线圈之间的互感系数，Φ₂₁是线圈2激发的磁场通过线圈1的磁通匝链数，Φ₁₂是线圈1激发的磁场通过线圈2的磁通匝链数，I₁是接收线圈1中的电流，I₂是接收线圈2中的电流，L₁是接收线圈1的等效电感，L₂是接收线圈2的等效电感。

当n个阵列接收线圈之间存在耦合效应时，用矩阵表示n个阵列线圈之间的电学关系：

其中，U和I是接收线圈两端接收到的电压和电流矩阵，Y是接收线圈的导纳矩阵。导纳矩阵的对角线分量Y_ii是接收线圈的自导，互导Y_ij是由于耦合效应第i接收线圈与第j个接收线圈产生的。

n个阵列接收线圈之间不存在耦合效应时，用矩阵表示n个阵列线圈之间的电学关系：

其中，U^u和I^u是接收线圈两端接收到的电压矩阵和电流矩阵，Y^u是接收线圈的导纳矩阵。导纳矩阵的对角线分量Y_ii是接收线圈的自导，由于接收线圈之间没有耦合效应，所以接收线圈之间的互导都为0。

本申请涉及两个接收线圈之间的耦合计算：由这两个接收线圈构成系统的导纳矩阵为：

其中Y₁₂＝Y₂₁，当线圈之间存在耦合时，Y₁₂不等于0。

两个接收线圈之间不存在耦合效应时，Y₁₂等于0，它们的导纳矩阵为：

去耦网络的导纳矩阵Y_d为：

由于Π型去耦网络具有对称性，所以Y_d12＝Y_d21。

当接收线圈之间不存在耦合时，即线圈之间地互感为0。在耦合的两个线圈之间添加去耦网络可以实现去耦效果，即：

Y+Y_d＝Y^u

解上述矩阵方程，即可得出去耦电容C_d和去耦电感L_d。

本发明的方法可扩展推广至无限多个空间共面单排放置的阵列接收线圈的情况。

在不脱离本发明的范围的情况下，上述实施例的各种修改将易于显而易见，且本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明不希望限于本文所展示的实施例，而应符合与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。任何熟悉本技术邻域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合装置，其特征在于，该装置包括去耦合网络与去耦合底板，其中去耦合底板上安置了多个去耦合网络，所述去耦合网络包括第一去耦合电感、第二去耦合电感以及去耦合电容，所述第一去耦合电感以及第二去耦合电感的两端分别作为去耦合网络的接线端口与需要去耦合的两个接收线圈相连接。

2.按照权利要求1所述的去耦合装置，其特征在于，所述需要去耦合的两个接收线圈包括相邻两个接收线圈和次相邻两个接收线圈。

3.按照权利要求1所述的去耦合装置，其特征在于，接收线圈有两个接线端口，将去耦合网络的接线端口与接收线圈的接线端口相连。

4.按照权利要求1所述的去耦合装置，其特征在于，所述接收线圈包括n个，且n个接收线圈空间共面单排相邻放置，所述n个接收线圈在一个发射线圈形成的边界内，其中n≥4。

5.一种用于磁共振找水仪阵列接收线圈之间的去耦合方法，其特征在于，在阵列接收线圈需要去耦合的两个接收线圈之间安装去耦合网络，所述去耦合网络包括第一去耦合电感L_d1、第二去耦合电感L_d2以及去耦合电容C_d。

6.按照权利要求5所述的去耦合方法，其特征在于，所述去耦合网络的参数的选择过程包括：

根据理论计算接收线圈的电感量L，两个线圈之间的互感系数M以及耦合系数k；

在仿真软件中构建阵列接收线圈仿真模型；

根据真实的接收线圈参数去设置仿真模型中线圈的参数；

给阵列接收线圈仿真模型施加一个模拟的地下水信号；

在仿真软件中设置求解的条件，求解出互感系数和耦合系数；

将仿真结果与理论计算结果进行比较，当仿真结果与理论计算结果的差值在误差范围内，将仿真结果作为需要去耦合接收线圈的电感L、两个接收线圈的互感M，代入去耦合网络的导纳矩阵中，求解出去耦合电感L_d和去耦合电容C_d。

7.按照权利要求5所述的去耦合方法，其特征在于，理论计算包括：阵列接收线圈等效为电感线圈，电感线圈的电感L计算公式为：

空间两电感线圈之间的互感系数计算公式为：

空间两电感线圈之间的耦合系数计算公式为：

其中，L是线圈的电感，a和b是线圈的长和宽，r是线圈的半径，μ₀是真空导磁率，

M是两线圈之间的互感系数，Φ₂₁是第一接收线圈激发的磁场通过第二接收线圈的磁通匝链数，Φ₁₂是第二接收线圈激发的磁场通过第一接收线圈的磁通匝链数，I₁是第一接收线圈中的电流，I₂是第二接收线圈中的电流，L₁是第一接收线圈的等效电感，L₂是第二接收线圈的等效电感。

8.按照权利要求5所述的去耦合方法，其特征在于，去耦合网络的导纳矩阵的关系式包括：

由两个接收线圈构成系统的导纳矩阵Y为：

其中Y₁₂＝Y₂₁，当线圈之间存在耦合时，Y₁₂不等于0；

两个接收线圈之间不存在耦合效应时，Y₁₂等于0，系统的导纳矩阵为：

两个接收线圈添加去耦合网络，得出系统导纳矩阵：

Y+Y_d＝Y^u

其中，去耦网络的导纳矩阵Y_d为：

Π型去耦网络具有对称性，即Y_d12＝Y_d21，Y_d11＝Y_d22。

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